شماره راهنما :
2401 دكتري
پديد آورنده :
درافشان، محمد مهدي
عنوان :
تحليل روانابها و خشكسالي هاي هيدرولوژيك در حوضه بالادست سد زايندهرود با رويكردهاي فازي و ماتريس احتمالات رتبهاي
گرايش تحصيلي :
مهندسي و مديريت منابع آب
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
ده، 143ص: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
رواناب , خشكسالي هيدرولوژيك , توابع عضويت فازي , ماتريس احتمالات رتبهاي , ريسك منابع آب سطحي , تغيير اقليم
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/08/17
رشته تحصيلي :
مهندسي عمران
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/08/18
چكيده فارسي :
مطالعه حاضر به پيچيدگيهاي ذاتي و ماهيت تصادفي پديدههاي هيدرولوژيكي، يعني روانابها و خشكساليهاي ناشي از كاهش اين رواناب¬ها ميپردازد. با توجه به اينكه فرآيندهاي فيزيكي اساسي و تعاملات حاكم بر اين پديدهها به طور كامل درك نشدهاند و مدلهاي رياضي قابل اعتمادي در حال حاضر در اين حوزه وجود ندارند، اين مطالعه بر اساس روشهاي آماري و نظريه احتمال كه به طور گسترده استفاده ميشوند، براي توصيف چنين رويدادهايي بنا شده است. به طور خاص، اين مطالعه بر ارزيابي جريان ورودي به سد زاينده رود و خشكساليهاي هيدرولوژيك در حوضه بالادست سد زاينده¬رود در اصفهان تمركز دارد. براي دستيابي به اين هدف جامع، اين مطالعه مدلهاي مناسبتر و كارآمدتري را در چهار مرحله مجزا ارائه و اعمال ميكند. مرحله اول، به مدلسازي روانابهاي ورودي به سد زاينده رود اختصاص دارد. يك مدل ماركوف فازي براي غلبه بر محدوديتهاي ذاتي مدل ماركوف متداول در زمينه مدلسازي جريان رودخانه معرفي شد. كارايي و اثربخشي برتر مدل ماركوف فازي از طريق هشت مثال نظري به طور دقيق نشان داده شد. علاوه بر اين، كاربردپذيري آن از طريق يك مطالعه موردي با تمركز بر جريان ورودي ماهانه به سد زاينده رود تأييد شد. مدل ماركوف فازي پيشبيني ملموس¬تر و دقيقتري ارائه داد كه نشان ميدهد در محتمل¬ترين وضعيت آينده، جريان ورودي متوسط با حداكثر احتمال 53/0 خواهد بود. در مقابل، مدل ماركوف متداول ضعف قابل توجهي در عدم تمايز مؤثر احتمالات تحت شرايط هيدرولوژيكي مختلف نشان داد و احتمال يكساني (33/0) را به هر سه حالت جريان ورودي (جريان كم، جريان متوسط و جريان زياد) اختصاص داد. مرحله دوم مطالعه بر ارزيابي و رتبهبندي ريسك مرتبط با جريان ورودي سد زاينده رود تمركز دارد. اين ارزيابي دو دوره اصلي را پوشش ميدهد: دوره تاريخي (2018-1990) و يك دوره آينده (2053-2025) كه تحت سه سناريوي اقليمي متمايز ارزيابي شدند. اين چهار دوره زماني متمايز (تاريخي و سه سناريوي اقليمي آينده) به عنوان گزينههاي ارزيابي در نظر گرفته شدند. در اين ارزيابي از سه شاخص عملكرد (قابليت اطمينان، تابآوري و آسيبپذيري) به عنوان معيار استفاده شد. در چارچوب ماتريس احتمالات رتبهاي، ارزيابي با استفاده از روش¬هاي شاخص ريسك رواناب و روشهاي رتبهبندي ريسك رواناب انجام شد. همچنين رويكردهاي ذهني، عيني و تركيبي براي وزندهي به اين معيارها به كار گرفته شد. نتايج نشان داد كه معيار تابآوري، بيشترين وزن را در تمام دورههاي زماني داشته است. اين يافته بر اهميت حياتي تابآوري در مديريت سيستم سد زاينده¬رود به ويژه در مواجهه با شرايط تغيير اقليم تأكيد ميكند. بر اساس ماتريس احتمالات رتبهاي، ريسك رواناب در دوره تاريخي در مقايسه با دوره آينده بيشتر ارزيابي شده است. در مرحله سوم اين مطالعه كه تمركز بر خشكساليهاي هيدرولوژيكي است، هدف ارائه چارچوبي جديد براي ارزيابي سلامت (يا ريسك) منابع آب سطحي در طول خشكسالي در حوضه مورد مطالعه بود. چارچوب نوآورانه و توسعهيافته در اين مرحله، شاخص رواناب استاندارد چند متغيره اصلاحشده را با مفاهيم اساسي قابليت اطمينان، تابآوري و آسيبپذيري تركيب ميكند. در اين ارزيابي از هر دو روش متداول و فازي استفاده شد. يك روششناسي قابل¬توجه، ايجاد روشي براي تنظيم خودكار پارامترهاي تابع عضويت فازي بود. اين تنظيم به صورت پويا بر اساس شرايط خشكسالي واقعي مشاهدهشده در حوضه انجام شد. نتايج به وضوح نشان داد كه روش فازي خودكار عملكرد بهتري در شناسايي شدت خشكساليها نشان داده و در نتيجه در تعيين كميت سلامت منابع آب سطحي حوضه در شرايط خشكسالي مؤثرتر بوده است. هنگام استفاده از روش متداول براي طبقهبندي، سلامت (يا ريسك) حوضه به طور مداوم براي دورههاي تاريخي و آينده به عنوان "ناسالم (ريسك زياد)" ارزيابي شد. در مقابل، روش فازي خودكار، ديدگاهي متفاوت و دقيقتري ارائه داد و سلامت حوضه را براي هر دو دوره تاريخي و آينده به عنوان "متوسط سلامتي (متوسط ريسك)" طبقهبندي كرد. مرحله نهايي بر ارزيابي جامع ريسك خشكسالي هيدرولوژيكي متمركز بود. اين ارزيابي بر اساس ماتريس احتمالات رتبهاي، به طور خاص با در نظر گرفتن دورههاي بازگشت دو متغيره (توأم و مشروط) در هر دو دوره تاريخي و آينده انجام شد. اين ارزيابي با تعريف شش سناريوي ريسك متمايز، ساختاري جامع يافت. در اين مرحله، توابع مفصل تي-استيودنت و جو به ترتيب به عنوان تابع مفصل برتر براي مدلسازي توزيعهاي توأم در دوره تاريخي و آينده شناسايي شد. در تمام سناريوهاي ارزيابي شده در دورههاي بازگشت توأم و مشروط، ريسك جامع خشكسالي در دوره تاريخي كمترين و در دوره آينده بيشترين مقدار را نشان ميدهد.
چكيده انگليسي :
This research addresses the inherent complexities and stochastic nature of hydrological phenomena, particularly runoffs and subsequent hydrological droughts. Recognizing that the underlying physical processes and interactions governing these phenomena are not fully understood, and reliable mathematical models are currently lacking in this domain, this study builds upon the widely-used statistical methods and probability theory to describe such occurrences. The primary aim is to improve existing models to enhance their accuracy and efficiency. Specifically, the research focuses on the evaluation of inflow into the Zayandehrud Dam and the assessment of hydrological droughts in its upstream basin in Isfahan. To achieve this comprehensive goal, the study presents and applies more suitable and efficient models across four distinct phases. Phase one dedicates to modeling inflow runoffs into the Zayandehrud Dam. A Fuzzy Markov model (FMM) was introduced to directly address and overcome the inherent limitations of the Traditional Markov Model (TMM) in the context of river flow modeling. The superior efficiency and effectiveness of the FMM were rigorously demonstrated through eight theoretical examples. Furthermore, its applicability was confirmed via a case study focusing on the monthly inflow to the Zayandehrud Dam. The FMM provided a more refined and specific prediction, indicating that the future state would likely be moderate wet conditions with a maximum probability of 0.53. In stark contrast, the TMM exhibited a significant weakness in its inability to differentiate probabilities effectively under varying hydrological conditions, assigning an equal probability (0.33) to all three wetness states (low flow; moderate flow; and high flow). Phase two of the study focuses on evaluating and ranking the risk associated with access to the Zayandehrud Dam inflow. The assessment covered two main periods: the historical period (1990-2018) and a future period (2025-2053) evaluated under three distinct climate scenarios. These four distinct time periods (historical and the three future climate scenarios) were treated as evaluation alternatives. The assessment utilized three critical performance indices as criteria: reliability, resiliency, and vulnerability. The evaluation was executed using runoff risk index and runoff risk ranking methods. Within the framework of the Rank Probability Matrix, subjective, objective, and combined approaches were employed for weighting these criteria. The results consistently showed that the resiliency criterion held the highest weight across all time periods. This finding underscores the critical importance of resiliency in the management of dam systems, particularly when confronted with climate change conditions. Based on the ranked probability matrix, the study concluded that the runoff risk was assessed as higher in the historical period compared to the future period. In phase three of the study, which is part of the broader focus on hydrological droughts caused by runoffs, aimed to present a new framework for evaluating the health (or risk) of surface water resources during drought within the studied basin. The innovative framework developed in this phase combines the modified Multivariate Standardized Runoff Index (MSRImod) with the fundamental concepts of reliability, resiliency, and vulnerability. Both traditional and fuzzy methods were employed in this evaluation. A significant methodological development was the creation of a method for automatically adjusting the parameters of the fuzzy membership function. This adjustment was dynamically based on the actual drought conditions observed in the basin. The results clearly indicated that the automated fuzzy method demonstrated superior performance in identifying drought intensity and was consequently more effective in quantifying the health of the basinʹs surface water resources under drought conditions.
استاد راهنما :
محمدحسين گل محمدي
استاد مشاور :
كارلو دي ميكله , كيوان اصغري
استاد داور :
حميدرضا صفوي , جهانگير عابدي كوپائي , رسول ميرعباسي